楊元喜院士：《北斗+與綜合PNT體系》

2017年5月23日，第八屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會在上海召開。作為國際三大衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)會議之一，本屆年會以“定位，萬物互聯(lián)”為主題，分為開幕式、GNSS主管部門報告、特邀報告、分會交流、科學(xué)普及、展覽展示等環(huán)節(jié)，全方位體現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及世界各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展成果，展現(xiàn)出衛(wèi)星導(dǎo)航與新興技術(shù)融合發(fā)展趨勢，高精度時空信息服務(wù)已逐步滲透并賦能各行各業(yè)和大眾民生，成為萬物互聯(lián)、聯(lián)通共享的時空基礎(chǔ)，為人類發(fā)展帶來無限可能、無限憧憬。

（以下內(nèi)容根據(jù)會議現(xiàn)場報告摘錄整理）

各位朋友，各位同事下午好，我今天不講衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我講的是PNT，我們知道PNT定位導(dǎo)航授時，是我們生活當(dāng)中的必備要素，PNT服務(wù)要求同一個載體需要唯一的PNT的服務(wù)，否則它就會亂套，我們最常見的PNT當(dāng)然是GNSS提供的，北斗、GPS、GLONASS、Galileo等等，但是GNSS不等于PNT，而PNT的范疇要廣泛的多，GNSS只是PNT服務(wù)的一種工具。

PNT是國家信息建設(shè)的基石，基礎(chǔ)要素，我們生活當(dāng)中80%的信息和PNT有關(guān)聯(lián)，經(jīng)濟(jì)的全球化，沒有PNT是不可能實現(xiàn)的。一帶一路的建設(shè)是國家戰(zhàn)略，但是沒有PNT信息的支持也是很困難的。所以我們提出一帶一路建設(shè)不僅要有公路、鐵路、航路、水路，還要有PNT信息公路。

我們經(jīng)常說互聯(lián)網(wǎng)+，不光需要網(wǎng)，還需要PNT的支持，我們說智慧城市，如果沒有PNT，它就不能智慧，智慧海洋，如果沒有PNT的支持，海洋不可能是一個智慧海洋，我們所說的大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)是靠PNT進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的，如果沒有PNT的支撐，大數(shù)據(jù)就是一堆亂數(shù)據(jù)、雜數(shù)據(jù)。所以說大數(shù)據(jù)是靠定位、導(dǎo)航、授時來尋找它的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)它的線索而提供決策的。云平臺如果沒有統(tǒng)一的PNT支撐，云平臺也會亂套，交通、管理、物流，沒有一樣不需要PNT。

當(dāng)我們說PNT不能不想到GNSS，很遺憾的是，無論是北斗、Galileo、GPS、GLONASS等等，信號是最弱的，信號從幾萬公里傳到地球來，極容易被干擾，易容易被遮蔽，信號弱，很容易被欺騙。另外室內(nèi)、涵洞等等都不可能提供服務(wù)，空間內(nèi)的載荷出現(xiàn)任何異常，地面控制端出現(xiàn)任何的故障，都可能導(dǎo)致GNSS的PNT服務(wù)中斷。

所以我們希望構(gòu)建一個未來的綜合PNT。所謂的綜合PNT，我想給它這么一個定義：基于不同原理，多種信息源，經(jīng)過云平臺控制、多傳感器高度集成和多源數(shù)據(jù)的融合，生成時空基準(zhǔn)統(tǒng)一的、且具有抗干擾、防欺騙、穩(wěn)健、可用、連續(xù)、可靠的全空間PNT服務(wù)體系。

它的核心要素在于，不同的原理，不同的信息源，要形成網(wǎng)絡(luò)，要經(jīng)過云平臺控制，最后實現(xiàn)智能化的服務(wù)。

第一種信息源，我們說的綜合PNT不能不說信息源。綜合PNP的第一道信息源就是高低軌天基無線電PNT信息，所謂高軌信息，再加上低軌的通訊衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星等等各類衛(wèi)星，都可以作為各類導(dǎo)航PNT的信息源，都可以為導(dǎo)航的增強(qiáng)，時間的增強(qiáng)等等提供重要的信息。一方面信息多源，第二個方面信息的冗余度會增加，這樣它的兼容性就要被考慮，互操作性也要被考慮。

地基無線電也可以提供綜合PNT服務(wù)，比如多普勒、羅蘭、塔康、Omega、伏爾、阿爾法系統(tǒng)等等，但是這些地基信息源作用距離是非常有限的，同樣它的信號也容易被干擾，被欺騙。還有一種自主PNT，不需要外部交換，都可以提供導(dǎo)航，但是它沒有時間。當(dāng)然也有一種衛(wèi)星自主的PNT，就是指同系統(tǒng)星座之間的互相跟蹤，衛(wèi)星自測軌道、自測鐘差，實現(xiàn)短時間內(nèi)無地面支持的GNSS  PNT服務(wù)。

還有其他重要的信息源，比如微原子鐘重力匹配導(dǎo)航、磁力匹配導(dǎo)航、影像匹配導(dǎo)航、地理信息匹配導(dǎo)航。還有水下聲納導(dǎo)航，天文導(dǎo)航，當(dāng)然不同的原理可以互相補(bǔ)充。

美國麻省理工學(xué)院也提出了一個量子導(dǎo)航QPS，量子定位可以采用糾纏和壓縮特性的光子進(jìn)行測時然后進(jìn)行定位。我們把量子導(dǎo)航可以分成三類：一個是測定點(diǎn)的主動定位方法，主動定位就是我們測定點(diǎn)自己進(jìn)行發(fā)送具有糾纏特性的光子脈沖，送到已知點(diǎn)，測來回的時間，可以算距離，如果有三個以上的已知點(diǎn)，就可以把這一點(diǎn)的位置定出來。

還有一種被動定位，三個以上的框架點(diǎn)對安置干頻儀，發(fā)送糾纏光子對，利用每一對光子的二階相關(guān)性，確定未知點(diǎn)坐標(biāo)。

待定點(diǎn)的主動定位方法，是待定點(diǎn)發(fā)送若干個脈沖道不同的參考點(diǎn)，測量這些發(fā)送的脈沖到達(dá)時間的相關(guān)性，就可以測定距離，由距離可以算三維坐標(biāo)。被動定位方法可以通過若干獨(dú)立的基線，它們可以生成糾纏的雙光子，然后我們地面只要一個接收機(jī)接收他們發(fā)送的光子，測時間延遲，就可以確定位置。

假設(shè)我們通過若干個基線隊，R1、R2坐標(biāo)是已知的，坐標(biāo)X1、Y1都是已知的，通過雙光子一致性的計書率，然后用戶終端通過角隅反射境就可以進(jìn)行距離的測定，然后進(jìn)行定位。

量子陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)是另外一種原理，通過原子干涉儀用一冷Rb或Cs原子束以兩個不同的拓?fù)渎窂絺鞑?，測量兩原子束通過不同路徑引起的相位差。利用原子干涉儀測定光和原子相互作用中的光場相位改變測量慣性力，比如感知地球磁場和重力場的變化，再進(jìn)行位置的計算。

量子陀螺儀比傳統(tǒng)的陀螺儀精度高出好幾個數(shù)量級，可能是未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。從這個意義上說，可以再拓展我們的思路，如果希望從深海到深空，都有PNT服務(wù)的話，在水下放置若干個聲納導(dǎo)航裝置，也能傳遞PNT的信息，那么就可以形成從海底到深空的PNT的服務(wù)。

從這個意義上說可以把未來的綜合PNT，第一層是BDS、GPS、GLONASS、Galileo等等，第二層是低軌衛(wèi)星，QPS、QINS就是量子慣導(dǎo)以及慣性導(dǎo)航，脈沖星、天文定位等等，把這些所有的信息源都作為我們未來的綜合PNT的信息源，我們就可以有無處不在的PNT服務(wù)。

信息源的迅速增加下，我們?nèi)绾螢榭蛻籼峁└咝У姆?wù)，比如說芯片化的集成，無線電、慣性和微型原子鐘的組成，還有芯片級的IMU、芯片級的原子鐘、加上GNSS的芯片集成在一起，形成一個綜合PNT的服務(wù)。在量子導(dǎo)航方面也有很多關(guān)鍵技術(shù)，比如量子糾纏源的制備，量子壓縮等等。

在函數(shù)模型方面，我們希望不同的物理源，不同的傳感器構(gòu)建的函數(shù)模型至少要有公共參數(shù)和非公共參數(shù)兩個部分，另外數(shù)據(jù)處理方法，當(dāng)信息源越來越多，我們需要高效的計算能力，比如并行計算。

不同的信息源對應(yīng)不同的函數(shù)模型和不同的隨機(jī)模型，經(jīng)過云平臺的控制進(jìn)行自適應(yīng)融合，然后再進(jìn)行智能化綜合PNT服務(wù)。

綜合PNT是PNT未來的發(fā)展方向，信息要多元化，空天地一體化。傳感器的高度集成化和小型化，PNT的時空基準(zhǔn)一定要?dú)w一化，我們的運(yùn)控手段要云平臺化，PNT信息融合要自適應(yīng)化，PNT的終端要穩(wěn)健化，日后它的服務(wù)模式要智能化。

在核心技術(shù)方面我們設(shè)計了多源信息的同化和歸一化問題，超穩(wěn)芯片級原子鐘技術(shù)，超穩(wěn)慣導(dǎo)器件和自主導(dǎo)航傳感器，多源傳感器的芯片化集成，量子導(dǎo)航系統(tǒng)及組合導(dǎo)航理論與裝備等。

綜合PNT的性能方面應(yīng)該有所提升，原理要實行多樣性，信息冗余性，誤差補(bǔ)償性，結(jié)果容錯性，信息可用性，系統(tǒng)完好性，服務(wù)連續(xù)性，結(jié)果可靠性，整體穩(wěn)健性。

最后我要說，在中國構(gòu)建的綜合PNT一定是以中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的PNT為核心，這樣的云PNT應(yīng)該是北斗、GNSS、QPS、HINS，所以未來的綜合PNT應(yīng)該叫“BDS+”。

（報告完）